Smart Pipe, il miglior progetto universitario dell’anno

Tre progetti innovativi, ben descritti e documentati e con applicazione concreta nella vita di reale sono i vincitori dell’Innovation Design Contest 2017 organizzato da Selezione di Elettronica. Scelti tra le numerose tesi di laurea inviate alla giuria da tutt’Italia, i finalisti hanno dimostrato che le nostre Università sono in grado di portare avanti programmi di ricerca avanzata, con sbocchi industriali tangibili. E, soprattutto, sono la prova che esistono giovani brillanti che sanno impiegare in modo profittevole il tempo trascorso in Università. La premiazione è avvenuta durante l’ormai tradizionale serata che la nostra rivista dedica a celebrare l’innovazione nell’elettronica, al  Museo della Scienza e della Tecnologia di Milano. Tra i tre, il vincitore assoluto è Lorenzo Mezzera del Politecnico di Milano, che, con Smart Pipe, ha proposto un’architettura per il monitoraggio dei parametri chimico-fisici che determinano la qualità dell’acqua potabile. Di seguito una sintetica presentazione del progetto, scritta da Lorenzo Mezzera e Marco Carminati del Politecnico di Milano.

L’obiettivo e il contesto

Il monitoraggio in tempo reale dei parametri chimico-fisici dell’acqua potabile nei sistemi di distribuzione idrica è estremamente rilevante dal punto di vista della salute ed un terreno perfetto su cui misurare la robustezza delle soluzioni IoT. Oltre all’ottimizzazione dei processi di potabilizzazione, una mappatura in tempo reale della qualità dell’acqua è importante sia in caso di inquinamento deliberato e puntuale (terrorismo) che per la manutenzione della rete, spesso concepita e realizzata un secolo fa. Diventa così necessario distribuire dei nodi di controllo in linea lungo l’intera rete, dalle sorgenti e stazioni di trattamento fino al rubinetto domestico, tramite la misura di parametri quali pH, conducibilità, sottoprodotti di disinfezione come cloro e trialometani e altri inquinanti. Lo scopo di questo progetto è stato lo sviluppo, la realizzazione e la caratterizzazione sperimentale di un sistema elettronico compatto per il monitoraggio di diversi parametri chimico-fisici della qualità dell’acqua potabile tramite sensori di nuova generazione: robusti, a basso costo e con funzionalità autodiagnostiche “smart” come la misura del livello di sporcamento della superficie e autopulizia tramite irraggiamento UV. La piattaforma multi-sensore viene installata direttamente nelle condutture, nei nodi critici della rete, viene autoalimentata con energy harvesting dalla condotta stessa e invia i dati tramite rete Gsm a un server centrale per la visualizzazione in tempo reale della mappa. In un contesto Smart City è evidente come un monitoraggio capillare della rete idrica ne incrementi la sicurezza e l’efficienza di gestione.

I ruolo dei sensori

I parametri base che vengono misurati in tempo reale sono conducibilità, pH, temperatura e spessore del deposito di incrostazioni nelle condutture su elettrodi micrometrici. Gli aspetti principali di innovazione sono: basso costo, miniaturizzazione (elettrodi di pochi mm²), autodiagnostica e alta sensibilità (pochi micrometri di sporco). In particolare la capacità di autodiagnostica è legata allo sviluppo di un sensore impedenziale del deposito di sporco sulla superficie degli elettrodi. Grazie a un coating nanometrico di TiO₂, la superficie degli elettrodi può essere resa ostile all’incrostazione biologica tramite irraggiamento con luce UV. Un ulteriore elemento di robustezza è l’introduzione di un motore vibrante su cui sono montati gli elettrodi di misura della conducibilità che permette la rimozione di microbolle o depositi solidi quali residui di tubatura, spesso causa di errori nella lettura in situ del valore di conducibilità.

La progettazione elettronica

Il sistema è gestito da un microcontrollore Arduino Mega che riceve i segnali provenienti dai sensori, opportunamente condizionati dalla scheda analogica sviluppata e comunica tramite shield Gsm a un’antenna esterna posta in superfice per l’invio dei dati al server IoT Thingspeak  di Mathworks che consente la visualizzazione via web su Pc e smartphone. Il micro inoltre gestisce tutte le comunicazioni con la parte di power driver.

• Film Monitor - Il progetto della parte di lettura del segnale del biofilm è la più complessa in quanto andremo a stimolare il sensore con una frequenza di 5 MHz. La struttura per la stimolazione e lettura del segnale è quella di un lock-in amplifier a singola fase. Si è scelto quindi come stadio di generazione dell’onda sinusoidale il Dds low power AD9832 di Analog Devices single output che genera una corrente sinusoidale alla frequenza voluta. Essa viene convertita in tensione da un 50Ω-TIA AD817 e filtrata tramite uno stadio passa basso del secondo ordine Chebychev del tipo Sallen-Key che permette di eliminare le frequenze spurie del Dac interno al Dds. Il segnale di stimolo di 100 mV raggiunge quindi l’elettrodo di sensing e il demodulatore. Dopo aver raggiunto il sensore il segnale viene amplificato e mandato nel moltiplicatore analogico AD835. Da esso esce un segnale Dc inversamente proporzionale all’impedenza letta ai capi dell’elettrodo e uno a frequenza doppia della stimolante. Il successivo filtro passa basso a 10 Hz del primo ordine implementato con configurazione invertente mantiene solo il segnale Dc, amplificandolo per adattarlo alla dinamica dell’Adc interno dell’Arduino a 10 bit (10 kSa/sec) utilizzato per leggere il valore di impedenza. Questa scelta è dovuta alla risoluzione richiesta in fase di progetto che si sposa perfettamente con le specifiche offerte dall’Arduino. Questo ci permette di risparmiare anche sul costo di un ulteriore Adc esterno sempre nell’ottica di un progetto low-cost.
• Conduttimetro e pHmetro - La misura di conducibilità è simile a quella del film con una misura del valore di impedenza fra i due elettrodi. Questa volta però la frequenza dello stimolo è sensibilmente più bassa permettendoci di implementare tutta la catena di lock-in con l’integrato stand-alone AD5933 di Analog Devices che permette di generare segnali fino a 100 kHz. A valle di esso avremo un Mux che va a selezionare uno dei 4 canali di conducibilità necessari per avere ridondanza nella misura. Per quanto riguarda invece il pHmetro utilizziamo l’integrato AD7793 Adc sigma-delta che va a generare il riferimento e legge i dati forniti dalla sonda. Abbiamo aggiunto un Mux per poter selezionare il sensore commerciale oppure quello custom che assicura un minor ingombro e la possibilità di self-cleaning.
• Carichi di potenza - L’alimentazione dei componenti con consumo maggiore di 0,5 A è stata separata. In particolare si tratta dei due Led UV di potenza per l’autopulizia, del motorino vibrazionale anti-bolle e della scheda di trasmissione Gsm. Questa parte del circuito ha anche un piano di massa separato in modo che non vada a “sporcare” le correnti di massa della parte di segnale. Per generare i 5 V necessari ad alimentare questa parte del circuito dai 10 V forniti dal sistema di alimentazione (batterie o harvesting) si è utilizzato un Dc-Dc converter che assicura un rendimento piuttosto alto (oltre l’85%) rispetto ad una controparte lineare che avrebbe dovuto dissipare troppa potenza. Il Dc-Dc con la sua componente di filtraggio è stato montato in posizione verticale al bordo della scheda in modo da migliorare la dissipazione del calore.
• Alimentazione - Per l’alimentazione della parte di condizionamento è necessario derivare dai 10 V
  la 5 V che serve al misuratore di deposito e conduttimetro. Oltre a questo per la parte di film monitor è necessario ricavare la tensione duale -5 V.
  Visto che si va ad alimentare degli integrati si decide di utilizzare un regolatore lineare per ricavare i 5 V di segnale con l’LP38692 di Texas Instruments (gli integrati soffrono di Pssr). Essi saranno utilizzati direttamente dalla parte del conduttimetro/pHmetro (assieme al voltage reference ADR441A di Analog che genera i 2,5 V) e inviati a un relè latching. Utilizziamo questo contatto meccanico nell’ottica di power saving. Il tempo di crescita del biofilm è ampio e quindi possiamo disabilitare l’alimentazione a tutta questa parte di circuito quando non necessitiamo di misure. Il relè latching inoltre mantiene la posizione grazie a dei magneti anche quando la bobina non è più eccitata. A valle del relè sarà presente i 5 V per la parte di film monitor e utilizziamo il positive to negative converter PTN0405 sempre di TI per generare la tensione negativa -5 V. I componenti che utilizzano un protocollo di comunicazione per dialogare con Arduino necessitano di una alimentazione digitale separata da quella analogica per raggiungere le performance migliori. Si decide quindi di utilizzare i +5 V forniti da Arduino tramite il suo regolatore interno per questi componenti. Inoltre il quarzo esterno del Dds necessita di una tensione di +3,3 V che viene fornita anch’essa da Arduino. Il micro fornirà quindi alla scheda tutte le alimentazioni di tipo digitale che saranno cosi separate da quelle analogiche.
• Layout - Si è optato per una soluzione a 4 layer dove il primo è stato utilizzato per le piste di segnale e alimentazione oltre che per piazzare tutti i componenti. Il secondo layer è stato sfruttato per connettere i componenti con i pin dell’Arduino visto che queste piste sono solitamente le più lunghe e attraversano tutta la scheda. Il terzo layer è un piano di massa di segnale integro che oltre a ridurre i camminamenti per le correnti di ritorno fornisce un isolamento fra la parte di segnale e quella di potenza/digitale. L’ultimo layer infatti è destinato alla massa di potenza e ai collegamenti digitali formati dalle interfacce di comunicazione I²C e Spi.

Il firmware e il software

Il firwmare gestisce il dialogo con gli integrati AD9832, AD5933, AD7793, il calcolo del valore di impedenza tramite i protocolli di interfaccia di tipo seriale sincrono I²C e Spi e anche per poter inviare i dati tramite la scheda Gsm al server Thingspeak. La comunicazione con il server avviene ogni 15 secondi ma il sistema campiona i dati con un rate più elevato, nell’ordine dei mS, per quanto riguarda i dati di conducibilità. Si opera quindi un sovracampionamento dei dati con filtraggio digitale a media. Inoltre, un campionamento cosi fitto ci permette di agire con un segnale di allarme nel caso di variazioni improvvise e temporanee dei parametri dell’acqua come per esempio a seguito di una contaminazione sia di natura umana che naturale. Il software si occupa inoltre delle temporanee operazioni di autopulizia in quanto va ad agire su motorino e Led UV attraverso gli opportuni circuiti di pilotaggio.

La validazione

Il prototipo realizzato con la combinazione di elettronica (Fig. 3) e flangia sensorizzata è stato sistematicamente caratterizzato in laboratorio in un circuito idraulico di test realizzato per raggiungere le stesse condizioni dinamiche (velocità di qualche m/s) dell’acquedotto. Lo strumento ha funzionato continuativamente per diversi giorni con un periodo di trasmissione Gsm dei dati di 15 secondi, visualizzati sul web e su smartphone. Le prestazioni misurate dei sensori soddisfano le specifiche e confermano che lo strumento, pur miniaturizzato e a basso costo, offre prestazioni di sensibilità allo stato dell’arte:

• temperatura: risoluzione migliore
  di 0,1 °C da 0 a 50 °C
• pH: risoluzione migliore di 0,05
  da pH 0 a pH 14
• conducibilità: risoluzione di 13 ppm da 50 µS/cm a 2500 µS/cm
• film monitor: risoluzione migliore
  di 1 µm nello spessore del film
  deposto e spessore minimo
  valutabile di 4 µm.

I risultati ottenuti sono particolarmente interessanti per il sensore di deposito (organico e inorganico che sono distinguibili) in quanto gli strumenti attualmente presenti sul mercato, oltre ad essere estremamente costosi e ingombranti, non riescono a raggiungere queste risoluzioni su entrambi i tipi di deposito. Dal punto di vista elettronico resta aperta l’adozione di protocolli sicuri di trasmissione e raccolta dei dati e l’ottimizzazione del consumo di potenza del sistema (attualmente attorno a 1,5 W, di cui solo il 5% impiegato per la misura del film, ed erogabili da sistemi meccanici di recupero energetico dal moto del fluido).